超声波浸提-壳聚糖吸附分离茶末中茶多酚

薛丽群，罗志敏，陈盛

（福建师范大学福清分校生物与化学工程系，福建福清 350300）

超声波浸提-壳聚糖吸附分离茶末中茶多酚

薛丽群，罗志敏，陈盛

（福建师范大学福清分校生物与化学工程系，福建福清 350300）

摘 要：研究在超声波条件下采用正交设计法优选茶多酚的浸提工艺。在得出的最优浸提工艺条件下制取茶汤，利用珠状壳聚糖探讨其对茶多酚的吸附性能。结果表明：在以水做浸提剂，料液比1∶15（g/mL）、浸提温度60℃、浸提时间21 min、两次浸提的条件下，浸提效果较好；在上述浸提工艺条件下，珠状壳聚糖对茶多酚较佳的吸附条件为：湿态珠状壳聚糖4.0 g、吸附时间2.0 h、温度30℃、25.00 mL pH7的茶汤，其吸附率可达70.95%。

关键词：超声波；茶多酚；浸提；壳聚糖；茶末

茶多酚（Tea Polyphenols）是从茶叶中分离提纯的多酚类化合物的总称，在茶叶干品中的含量一般在18%～36%[1]。茶多酚类物质既是决定茶叶风味和品质的主要物质，又是一种天然的抗氧化剂，它具有抗衰老、抗辐射、消除人体自由基、降低血糖血脂和胆固醇、预防心血管疾病、抑制肿瘤细胞、沉淀金属等一系列特殊的药理功能[2-3]，在医药、食品、化妆品、日用化工等领域有广阔的应用前景。我国是产茶大国，茶叶资源十分丰富，但在茶叶生产过程中产生的大量茶末、修剪叶，甚至滞销的粗老茶等废弃料，经济利用价值不高。茶多酚的提取和分离纯化，则是对这些废弃料的深加工，若开发具有保健作用的药品、食品、化妆品等，则可创造出巨大的经济效益。

利用茶多酚的物理化学性质，国内外茶多酚粗品的提取方法[4]主要有：溶剂浸提法、超声波浸提法、微波浸提法；分离纯化技术则有溶剂萃取法、膜分离技术、金属离子沉淀法、层析法、超临界萃取法和树脂吸附法等。超声波辅助浸提天然产物近几年颇受研究者的关注，其利用超声波的机械破碎和空化作用，使细胞破碎，从而加速浸提物从植物中向溶剂扩散的速度和数量，缩短浸提时间[5-7]，但目前所用溶剂集中在有机溶剂，用水作为溶剂超声波浸提较少。树脂吸附法是利用树脂对茶叶浸提液中各种成分的吸附-解吸作用的差别，尤其是对茶多酚的选择性吸附，因为茶多酚的酚性羟基易与O、N原子以O—H…O、O—H…N的形式疏松的结合形成氢键[1]，因此，树脂上有含O、N原子的功能基团，就有利于该树脂对茶多酚的选择性吸附，来实现茶多酚与其他浸提物组分之间的分离，现在常用的树脂为合成的大孔树脂。壳聚糖（chtiosan）是D-氨基葡萄糖经过β-1，4糖苷键连接而形成的一种天然的直链状碱性多糖，分子链上含有大量具有反应活性的—NH2和—OH。近年来，壳聚糖及其衍生物在作为一种新型的分离材料，在重金属离子富集回收[8-10]、酚类及有机物吸附[11-13]、酶和蛋白质的分离提纯等都得到广泛的应用。

本文采用复合提取分离茶多酚的方法，即超声波浸提法和树脂吸附法联用，以水为溶剂，将茶叶通过超声波辐射得到茶多酚浸提液，然后利用壳聚糖树脂对浸提液中的茶多酚进行静态吸附，望能得到较高的浸提率和吸附率，缩短茶多酚的浸提时间，减少有机溶剂的使用，为制备符合医药级或食品级的茶多酚做前期基础性工作。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖：购自浙江玉环澳兴生物科技有限公司；茶末：购自福清市茶店。无水甲醇、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、酒石酸钾钠、硫酸亚铁、氢氧化钠、聚乙二醇（6000）等均为市售分析纯。

KQ-500DB超声波清洗仪：昆山市超声仪器有限公司；7200型可见分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司；FA2004B型电子天平：上海越平科学仪器有限公司；pHs-3C型酸度计：上海虹益仪器仪表有限公司；THZ-C型台式恒温振荡器：太仓市华美生化仪器厂；SHZ-D（III）循环式真空泵抽滤机：上海书培实验设备有限公司；针形注射器。

1.2 方法

1.2.1 超声波浸提茶多酚

称取研磨过的茶末1.000 g于试管中，加入适量的蒸馏水，置于超声波清洗仪中，调整一定的功率和温度，开动超声波清洗机辐射一段时间，抽滤，并用适量蒸馏水冲洗滤饼，合并滤液定容至250 mL。按料液比（茶末质量：蒸馏水体积）、温度、时间、浸提次数进行单因素试验和正交试验，考察各因素对茶多酚浸提率的影响，依据最佳浸提工艺进行验证试验。

1.2.2 珠状壳聚糖对茶多酚的吸附性能研究

取适量壳聚糖与聚乙二醇溶于1%盐酸溶液中，制成4%（w/v）壳聚糖盐酸溶液，用针形注射器注入凝结液（20%NaOH、30%甲醇混合均匀），得颗粒均匀、形状规整、内有空心的白色球形壳聚糖，水洗至中性，湿态下保存备用。

在最佳工艺条件下制得茶汤，测定茶汤中茶多酚的含量a。然后移取一定量的茶汤于锥形瓶中，加入适量树脂，置于恒温振荡器中（110 r/min）吸附一定时间，测定吸附后的茶汤中茶多酚的含量b，进而得珠状壳聚糖对茶多酚的吸附率。分别考察了吸附时间、壳聚糖用量、茶汤浓度、茶汤pH等对吸附率的影响。

茶多酚的吸附率 c（%）=（a-b）/a× 100%

1.2.3 茶多酚含量和浸提率测定

按GB/T 8313—2002《茶叶中茶多酚含量的检测方法》测定茶多酚的含量。

浸提率（%）=[浸提液中茶多酚含量（g）/浸提时茶末质量（g）]× 100%

2 结果与讨论

2.1 茶多酚浸提的单因素试验

2.1.1 料液比对茶多酚浸提率的影响

平行称取1.000 g茶末于试管中8份，加入适量（6、9、12、15、18、21、24、27mL）蒸馏水，考察茶末与蒸馏水的比例即料液比为 1∶6、1∶9、1∶12、1∶15、1∶18、1∶21、1∶24、1∶27（g/mL）对浸提率的影响，在温度65℃下，将试管置于超声波清洗仪中浸提15 min，测定茶多酚的浸提率。结果如图1所示。

图1 料液比对茶多酚浸提率的影响Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on extraction rate of tea polypheols

由图1可知，随着蒸馏水用量的增加，茶多酚的浸提率呈先增加后趋于平缓的趋势，当料液比为1∶15时，茶多酚浸提率可达14.48%，因此本实验条件下选择较佳料液比为1∶15。

2.1.2 温度对茶多酚浸提率的影响

平行称取1.000 g茶末于试管中9份，加入15 mL蒸馏水即料液比为1∶15，在温度分别为25、40、45、50、55、60、65、70、75 ℃条件下浸提 15 min，然后测定茶多酚的浸提率。结果如图2所示。

由图2可知，随着温度的升高，茶多酚的浸提率呈先升高后降低的趋势。虽然温度高有利于浸提，但是温度高也使茶多酚氧化加速。因此，本实验条件下选择浸提温度为65℃。

2.1.3 时间对茶多酚浸提率的影响

平行称取1.000 g茶末于试管中8份，加入15 mL蒸馏水，在温度为65℃，分别考察不同浸提时间（3、6、9、12、15、18、21、24 min）对茶多酚浸提率的影响。结果如图3所示。

图2 温度对茶多酚浸提率的影响Fig.2 Effects of temperature on extraction rate of tea polypheols

图3 时间对茶多酚浸提率的影响Fig.3 Effects of time on extraction rate of tea polypheols

由图3可知，随着超声处理时间的增加，茶多酚的浸提率呈先增加后下降的趋势。当超声时间为18min，茶多酚浸提率达到最大，继续延长时间，茶多酚含量开始降低，可能的原因是由于茶多酚易氧化，随着时间的延长，被氧化的茶多酚量也随着增加。因此，本试验的浸提时间为18 min。

2.1.4 浸提次数对茶多酚浸提率的影响

平行称取1.000 g茶末于试管中4份，在料液比为1∶15、温度为65℃、浸提时间15 min，然后考察不同浸提次数对茶多酚浸提率的影响，合并滤液测定吸光度。结果如图4所示。

图4 浸提次数对茶多酚浸提率的影响Fig.4 Effects of frequency on extraction rate of tea polypheols

由图4可知，随着浸提次数的增加，茶多酚总的浸提率缓慢增加，为了提高浸提效率和节约能源，本试验选择超声浸提两次。

2.2 正交优化茶多酚的浸提工艺

根据单因素试验结果，选择L9（33）正交表试验设计和极差分析，以茶多酚的浸提率为考核指标优化浸提工艺。考察了料液比（A）、温度（B）、时间（C）三个因素，每个因素各取3个水平。根据正交试验表1、表2进行超声浸提两次，合并滤液，测定滤液的吸光度，得到茶多酚的浸提率。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal experiment factor levels list

表2 正交试验结果及分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment

由表1和表2的数据可得出，浸提茶多酚的较好工艺条件为A2B1C3，即料液比为1∶15、温度为60℃、浸提时间为21 min。得出结论是：在A2B1C3并且是二次浸提的条件下，茶多酚的浸提的含量较高。所考察的因素中，根据极并分析，茶末中茶多酚的浸提影响因素的影响程度为：料液比＞时间＞温度。

2.3 优化试验条件的验证

为了验证上述试验结果的可信度及可行性，固定以上得出的试验条件：料液比1∶15、浸提温度60℃、浸提时间21 min、浸提两次，重复试验3次，结果如表3所示，茶多酚浸提率较高且较稳定，说明了试验的可行性。

表3 验证实验结果Table 3 Results of verification experiment

珠状壳聚糖对茶多酚的吸附研究

2.4.1 吸附时间对茶多酚吸附率的影响

平行量取25.00 mL茶汤9份，分别加入4.000 g湿态珠状壳聚糖，置于30℃恒温振荡器中（110 r/min），探讨不同吸附时间（0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 h）对吸附率的影响。结果如图5所示。

图5 吸附时间对茶多酚吸附率的影响Fig.5 Effects of absorption time on adsorption rate of tea polyphenols

由图5可知，随着时间的增加，珠状壳聚糖对茶多酚的吸附率先急剧上升后趋于平缓的趋势，当吸附时间为2.0 h后，吸附基本达到平衡，因此本试验取2.0 h为较佳吸附时间。

2.4.2 珠状壳聚糖用量对茶多酚吸附率的影响

平行准确移取25.00 mL茶汤7份，分别加入湿态珠状壳聚糖树脂 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 g，置于30℃恒温振荡器中（110 r/min）吸附2.0 h，测定珠状壳聚糖树脂对茶多酚的吸附率。结果如图6所示。

图6 珠状壳聚糖树脂用量对茶多酚吸附率的影响Fig.6 Effects of beaded chitosan resin amount on adsorption rate of tea polyphenols

由图6可知，珠状壳聚糖对茶多酚的吸附率随着树脂用量的增加而不断增加，当树脂为4.0 g时，吸附则基本达平衡，吸附率可达69.66%。因此，本试验条件下，所加湿态珠状壳聚糖树脂的量为4.0 g时吸附效果较佳。

2.4.3 茶汤浓度-温度对茶多酚吸附率的影响

将茶汤稀释一定倍数，然后平行准确移取25.00mL不同浓度（0.1c0、0.2c0、0.4c0、0.6c0、0.8c0、c0，设茶汤原浓度为c0）的茶汤三份，分别置于30、40、50℃恒温振荡器（110 r/min）振荡吸附2.0 h，测定吸附率。结果如图7所示。由图7可知，随着茶汤浓度的增加，珠状壳聚糖对茶多酚的吸附率也不断增加，在同等浓度条件下，温度对茶多酚的吸附率影响不大，但随着温度的升高，吸附率呈现略有下降的趋势。本试验采用30℃为较佳吸附温度。

图7 茶汤浓度对茶多酚吸附率的影响Fig.7 Effects of tea concentration on adsorption rate of tea polyphenols

2.4.4 茶汤pH对茶多酚吸附率的影响

用氢氧化钠或盐酸溶液调节茶汤至不同pH，然后分别移取不同 pH（3、4、5、6、7、8、9、10）的茶汤 25.00 mL，加入等量壳聚糖树脂，置于恒渐振荡器中振荡吸附2.0 h，测定茶多酚的吸附率。结果如图8所示。

图8 茶汤的pH对茶多酚吸附率的影响Fig.8 Effects of tea soup pH on adsorption rate of tea polyphenols

由图8可知，在酸性条件下，珠状壳聚糖对茶多酚的吸附率随着pH的增加而增加，但在碱性条件下，吸附率随着pH的增加而急剧下降，这是因为茶多酚本身会呈酸性，而随着pH的增加，茶多酚的氧化速率增加，特别是pH＞7的碱性条件下，则它的氧化作用会迅速增加[1]，本试验条件下选择pH7为较佳条件。

3 结论

本试验利用超声波产生的空化、机械扰动等物理作用粉碎植物细胞外壁使目标物大量的浸出，其浸提茶多酚的效果比较明显，浸提温度低，浸提时间短等优点，保证了茶多酚在提取过程中不会因为长时间的高温而发生氧化聚合，引起茶多酚生物活性功能的降低。采用蒸馏水作为提取溶剂，并且用壳聚糖进行茶多酚的吸附分离，利用树脂吸引附法工艺简单、操作方便、能耗少、操作条件温和等特点，且无毒、无污染，有机溶剂用量少，有利于制备符合食品、医药保健等方面所需的茶多酚。

通过正交试验优先茶多酚浸提工艺。结果表明，在本试验条件下，浸提的最佳工艺参数为：料液比为1∶15，浸提温度为60℃，浸提时间为21 min/次，浸提次数为二次。用珠状壳聚糖吸附浸提液中的茶多酚，较佳的吸附条件为吸附时间2.0 h，湿态珠状壳聚糖树脂用量为4.0 g，吸附温度为30℃（110 r/min），茶汤pH 7，吸附率可达70.95%。

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Ultrasonic Extraction-Adsorption of Beaded Chitosan Resin for Tea Polyphenols from Tea Dust

XUE Li-qun，LUO Zhi-min，CHEN Sheng
（Department of Biological and Chemical Engineering，Fuqing Branch of Fujian Normal University， Fuqing 350300， Fujian，China）

Abstract：Tea polyphenols was extracted by ultrasonic wave technology with orthogonal test method.The effect of adsorption rate for tea polypehnols by using the beaded chitosan resin was studied.The results showed optimal extraction condition were as follows：the solid-liquid ratio 1∶15 （g/mL），the temperature of extraction 60 ℃，the time of extraction 21 min，and extract twice.Meanwhile the optimal adsorption condition to tea polyphenols were as follows： the beaded chitosan resin 4.0 g，adsorption time 2.0 h，adsorption temperature 30 ℃，pH of tea soup 7.The absortion rate could reach 70.95%.

Key words：ultrasound；tea polyphenols；extraction；chitosan；tea dust

福建省教育厅B类项目（JB09240）；福建师范大学福清分校校级资助项目（KY2008032）

薛丽群（1983—），女（汉），讲师，硕士，研究方向：生物高分子在食品中的应用。

2012-07-09